胡 煜，刘烁玲，宋淑然，孙道宗，邹诗洋

（1.华南农业大学电子工程学院/人工智能学院，广东 广州 510642；2.广东省现代农业装备研究所，广东 广州 510630）

0 引言

随着现代农业的不断发展，人们对果园施药装备有了更高的要求[1]。我国是果蔬生产大国，一直以来都非常重视果园农业的发展，在生产过程中对果蔬农药喷洒等问题的研究十分必要[2-3]。与传统的喷雾机相比，风送式喷雾机可以提高药物的沉积率，并且减少药物的飘移和污染。风送式喷雾机以其穿透性强、覆盖率高、环境污染小等特点，被广泛运用于农业、建筑业、矿业等领域，研究风送式喷雾机不同结构对性能的影响，不仅可以优化风送式喷雾机的综合性能，还能提升我国植保与施药的水平，对我国农业的发展具有重要意义[4-5]。

国内外的学者对风送式喷雾机研究过程中，结构特点、气流场、雾滴沉积特性和雾滴飘移等问题是其中的要点[6-10]。风送式喷雾机风筒内部的导流片用来引导气流的走向，使喷出气流相对聚集、降低能量损失，不同形状及尺寸的导流片会影响风筒内部风压及出风口风速的大小[11-12]。所以在对风送式喷雾机工作性能影响因素进行研究时，需要对不同导流片进行研究才能使研究结果更精确。近年来，用来计算流体力学的Fluent 软件快速发展，为许多网格化问题的研究提供了便利[13]。

本文从模型建立、仿真参数设置和仿真结果分析3 部分入手，分析不同形状尺寸导流片对喷雾机工作时内部风压、出风口风速和风量等参数的影响，从而找到性能较优的模型组合。

1 Fluent软件简介

Fluent 软件是目前国内外广泛应用的一款专业化且功能强大的CFD 软件，在应用过程中可以选择较多不同的物理模型，将计算分为不可压缩、轻度压缩、高度压缩等多种不同力的类型，并且还能通过对非结构网格形式进行应用，模拟分析流体结构，区分和判断流体现象。Fluent 软件主要由前处理器、求解器和后处理器3 部分组成。

1.1 前处理器

Gambit 软件是面向CFD 的前处理软件，主要功能有几何建模、网格划分和边界定义，其具有高度自动化的特点，能够生成结构化网格、非结构化网格等多种不同类型的网格，在定义边界类型及介质类型之后，最终输出网格文件。

1.2 求解器

Fluent 求解器分为分离式求解器和耦合式求解器，分离式求解器适用于低速领域而耦合式求解器适用于动力、能量等存在较强相互依赖的高速领域。

1.3 后处理器

Fluent 软件本身自带功能强大的后处理模块，其中提供的图像工具能够生成显示流场分析中所要用到的具备实际意义的图形、动画或报告。

2 建立喷雾机模型

以宋淑然等[14]在风送式喷雾机结构优化试验研究中的模型为参考，具体分析各组成部分的尺寸，从而确定本次仿真试验采用8 片风扇叶片数量和5片导流片，同时在风扇外部建立风扇轮廓区，设置风扇转速为2 926.5 r/min。

2.1 模型建立

模型建立主要根据喷雾机的圆柱形风筒、截锥形风筒、风扇、导流片和导流器5 部分分别进行。首先建立风扇模型，旋转轴的部分由圆柱体及半球体组成，扇叶部分由直长方体被直径与风扇长度一致的圆柱面做分割之后再旋转复制构成，其安装角度为31°，风扇外部的风扇轮廓区与扇叶顶端差距为0.5 cm。导流片、导流器、圆柱形风筒和截锥形风筒直接用体生成的方法建立，再通过布尔运算进行合并。在Gambit 软件中将风扇、导流片和导流器通过布尔运算变成空心部分，其他部分为流体则变成实心部分，完成后将模型整体通过split 操作分割为5 个分段。风扇模型效果和喷雾机模型整体效果如图1 和图2 所示。

图1 风扇效果图

图2 喷雾机模型整体效果图

2.2 导流片模型设计

本文共研究7 种导流片，其中1 种是直导流片，其余6 种是弯曲程度不同的弯曲导流片。对导流片弯曲部分模型的设计分为弯曲程度和长度2 个方面，基于数学几何的概念，本文采用以1/4 圆为基础来构建导流片弯曲部分模型，如图3 所示。图中分别是以半径为5、7、9 cm 的1/4 圆为基础构建的弧线1、弧线2 和弧线3，3 条弧线是接近于圆弧的螺旋形弧线，所对应的圆心角相同、半径不同，形成弧线的弯曲程度不同，其中弧线3 的曲率最大，弧线1 的曲率最小。根据这种构建弧线的方法，对导流片模型进行设计，如图4 所示。

图3 相同圆心角下不同长度的弧线图

图4 不同弯曲程度弧线的构建图

图中（a）（b）（c）3 部分分别对应的是以半径为5、7、9 cm 的1/4 圆为基础构建的圆心角分别为α1、β1 和θ1 的弧线AB、弧线CD 和弧线EF。图（a）中弧线AB 的B 端点与圆弧右端点重合，A 端点垂直映射在1/4 圆半径的中点处，α1 为弧线AB 所对应的圆心角，计算得到α1=63.4°，同理得到β1=63.4°，θ1=63.4°。另外设计3 种半径为5、7、9 cm，圆心角α2、β2、θ2 均为30°的弯曲导流片。

导流片的总长度不变，增加1/4 圆的半径是为了增加弧线的弧长以延展弯曲部分来改变曲率。构建好具有不同弧长和曲率的导流片模型，如图5 所示，从上到下分别为α1=63.4°、β1=63.4°、θ1=63.4°、α2=30°、β2=30°、θ2=30°和直导流片。

图5 7 种导流片的简化模型

2.3 网格划分

网格划分一般分为结构化网格划分和非结构化网格划分，由于模型中存在较多的不规则面，因此采用非结构化网格划分。在进行体网格划分之前，如果该段存在较多不规则面则应先进行面网格划分，否则会严重影响网格质量。模型共分为5 段，各段之间网格划分的具体情况如下。

1）第Ⅰ段和第Ⅴ段分别是规则的圆柱体和截锥体，结构比较简单，因此直接用TGrid 生成大小为1的金字塔和四面体网格。

2）第Ⅱ段包含风扇面和风扇轮廓面，存在较多不规则面，因此需使用Tri 方法把风扇面生成大小为0.2 的三角形网格，把风扇轮廓面生成大小为0.4 的三角形网格，再对所有体用TGrid 生成大小为0.5 的金字塔和四面体网格。

3）第Ⅲ段和第Ⅳ段包含导流片和导流器，存在有弯曲的不规则面，因此先对导流片和导流器构成的面用Tri 方法生成大小为0.4 的三角形网格，再对所有体划分成大小为1 的TGrid 体。

在划分好所有网格之后，需对网格质量进行进一步检查，最终模型经过网格划分之后的风筒模型如图6 所示。

图6 网格划分后的风筒模型

2.4 边界条件定义

边界条件的定义是指流体运动边界上控制方程应该满足的条件。Gambit 软件提供了速度入口边界、压力入口边界等多种边界类型，根据实际情况对模型中各个边界的定义情况如下。

1）出入口边界条件的定义。一般对于未知进口流率的模型来说可以将入口面和出口面分别定义为PRESSURE_INLET和PRESSURE_OUTLET的边界类型。

2）风扇面边界条件的定义。由于在用Fluent 软件仿真过程中需要将风扇面单独设置为旋转壁面类型，将风扇面定义为壁面边界。

3）内部交换面和风扇轮廓面边界条件的定义。为了确保风筒模型内部密切相连进行流体交换，将分割生成的内部交换面和风扇轮廓面都定义为INTERIOR 类型。

4）风扇轮廓区边界条件的定义。在用Fluent 软件仿真过程中，需将风扇轮廓区设置为旋转区域，因此要将风扇轮廓区定义为FLUID 类型。

3 Fluent软件仿真

Fluent 软件仿真设置包括基础设置、仿真参数设置和迭代运算设置。

3.1 基础设置

选择三维单精度求解器，将需要进行仿真计算的网格文件导入，导入完成后检查网格信息，确定最小网格体积值大于0。接着设置单位尺寸，将Fluent 软件中尺寸单位更改成cm，将转速单位更改成r/min。为了提高网格质量并加快收敛速度要进行网格光滑化操作，Number Swapped 框中的数值为0，说明网格光滑化操作完成，如图7 所示。

图7 网格光滑化操作

3.2 仿真参数设置

Fluent 软件中提供了多种湍流模型，一般对于高雷诺数的湍流采用双方程的k-ε 模型，但标准k-ε 模型对于复杂流体模拟效果欠佳，因此本文使用RNG k-ε 模型。

对于操作环境的设置，选择标准大气压。对于流体物理性质的设置，选择气体类型。对于边界条件的设置，入口与出口一致，都将湍流强度设置为5%，水力直径设置为0.5 m，表压设置为标准大气压；将风扇壁面设置为可旋转壁面，速度为0 r/min，由于风扇逆时针旋转并且空气由入口向出口流动，将旋转轴方向设置为z=-1。

对于求解算法的设置，本文设计模型选择的是基于压力的求解器。Fluent 软件中提供了SIMPLE、SIMPLEC 等多种算法，由于风筒内部流场是不可压流场，选择SIMPLE 算法。

3.3 迭代运算设置

迭代运算设置包括流场初始化设置、残差曲线图设置、质量流量监视图设置和迭代次数设置。迭代次数设置为1 000，收敛精度设置为0.001，残差曲线图的设置如图8 所示。

4 仿真结果分析

4.1 收敛分析

观察残差监测曲线，直导流片的迭代残差结果如图9 所示，横轴表示迭代次数，纵轴表示迭代精度，当迭代到600 次左右时，曲线接近平直状态，迭代精度不再随迭代次数的增加而改变，满足收敛要求。

图9 残差监测曲线

质量流量监测曲线如图10 所示，横轴表示迭代次数，纵轴表示质量流率，当迭代到350 次左右时，曲线接近平直状态，说明进口面的流量趋于稳定，满足收敛要求。

图10 质量流量监测曲线图

观察进出口流量误差，两者差为6.5e-05，误差远小于1%，说明进出口质量流量守恒，满足收敛要求。

根据上述判定收敛的方法，将7 种模型的仿真结果进行收敛分析，结果表明7 种模型的结果均满足收敛要求，因此迭代运算结果是可靠的。

4.2 仿真结果图分析

为了具体分析风筒中气流的运动情况，作出风筒内部流场的径线图，如图11 所示。图a 是未安装导流片的径线图，图b 是直导流片的径线图，图c 和图d 是半径r=5 cm，圆心角分别为α2=30°、α1=63.4°的导流片的径线图，图e 和图f 是半径r=7 cm，圆心角分别为β2=30°、β1=63.4°的导流片的径线图，图g 和图h 是半径r=9 cm，圆心角分别为θ2=30°、θ1=63.4°的导流片的径线图。

图11 流场的径线图

图中左侧是风筒侧面流场的径线图，右侧是风筒出口流场的径线图，观察发现未安装导流片的流场径线由于没有导流片的隔断会绕着导流器呈螺旋状吹出，是比较有规律的，但是由于径线旋转强度较大导致在出口处与轴线之间存在较大的角度，使得速度的切向分量变大，轴向分量变小。而安装了导流片后，由于导流片将风筒内部分隔为5 部分，气流在各部分之间的运动是相互独立的，观察发现流场径线在风筒各部分之间也是旋转吹出，侧面的径线图看起来较为紊乱，并且旋转的强度随着吹出逐渐减弱，在最后出口处基本与轴向一致。

4.3 数据分析

进出口总压等与压力有关的数据如表1 所示，进出口风速等与速度有关的数据如表2 所示。表中导流片的种类用不同圆心角来表示，其中α1=63.4°和α2=30°表示以半径为5 cm 的1/4 圆所构建的不同弯曲程度的导流片；β1=63.4°和β2=30°表示以半径为7 cm 的1/4 圆所构建的不同弯曲程度的导流片；θ1=63.4°和θ2=30°表示以半径为9 cm 的1/4 圆所构建的不同弯曲程度的导流片，表1 与表2 中的数据均是在风扇转速为2 926.5 r/min 时所得，将2 个表中的数据绘制成折线图，如图12 所示。

图12 不同种类导流片的仿真结果折线图

结合表1 和图12（a）可以发现，未安装导流片时风筒内的压力损失率为29.755%，是最小的。安装了导流片后，由于导流片的引流作用会使导流片与气流之间产生摩擦导致压力损失增大，压力损失率与未安装导流片时相比平均提升了10%左右，其中直导流片的压力损失率为40.143%，是最大的；圆心角为θ2=30°的导流片的压力损失率为36.552%，是最小的。通过对比可以看出，以圆心角为30°构建的导流片均比以圆心角为63.4°构建的导流片的压力损失小。

表1 不同种类导流片的压力仿真结果

结合表2 和图12（b）（c）（d）可以发现，风筒出口风速均比进口风速大，安装了导流片后，风筒出口的风速均比未安装导流片时要小。结合表2 和图11 分析可知，安装了导流片后，出口处气流相对聚集在轴向方向，出口的切向风速明显变小，约为0.2 m/s，轴向速度占比提升了12%左右。将不同弯曲程度的导流片对比发现，出口切向风速的大小和轴向风速占比都相差不大，切向风速相差在0.061 m/s 以下，轴向风速占比相差在0.426%以下。

表2 不同种类导流片的速度仿真结果

5 结论

1）与未安装导流片相比，安装导流片后风筒内部气流与导流片之间产生摩擦，虽然会增大压力损失，但却能有效降低出口切向风速，提高出口轴向速度占比，使得喷出的气流更加聚集，喷雾机的射程更远。

2）安装不同弯曲程度的导流片相对于直导流片能减小风筒内部的压力损失，并且在综合考虑风送式喷雾机各方面的性能后，发现安装以半径r=9 cm、圆心角θ2=30°构建的导流片时喷雾机风筒内的压力损失率最小，出口切向风速相对较小，出口轴向风速占比高，此组合模型对风筒的优化效果最佳，对喷雾机整体性能的改善作用最大。